雷達模擬器中海雜波模擬的一種新方法

迅速而準確地模擬雷達雜波的方法對雷達系統(tǒng)模擬及雷達信號處理來說十分重要[1]。目前海雜波建模主要有三種方式：散射機理建模、雜波統(tǒng)計建模和雜波非線性建模，其中雜波統(tǒng)計建模是最常用的方式[2]。產(chǎn)生具有一定概率分布的隨機序列的方法主要有：球不變隨機過程法(SIRP)和零記憶非線性變換法(ZMNL)[3]。海雜波在模擬中有著非常重要的地位，如何將建模得到的海雜波快速逼真地反應在模擬器的光柵顯示器上顯得尤為重要。本文采用經(jīng)典的海雜波模型，通過ZMNL來產(chǎn)生海雜波序列，再進行距離和近程增益調制，可以快速逼真地模擬海雜波。
1 常見的海雜波模型
　較為經(jīng)典的海雜波模型有：
　(1)瑞利分布[4]：

　
　(2)對數(shù)正態(tài)分布[5]：

　式中，x為海雜波幅度瞬時值，eu+σ/2為雜波幅度的均方值。在分辨力提高或高海情下，海雜波的后向散射特性偏離了瑞利分布，尾部較長，適合于用對數(shù)正態(tài)分布模擬。
　(3)韋布爾分布[6]：

　式中，p為比例參數(shù)，若p=2就成為瑞利分布；若p=1就是指數(shù)概率密度函數(shù)。q為形狀參數(shù)，根據(jù)不同海情，一般在1.4~2之間變化。 海雜波幅度起伏較均勻，在高分辨力和低入射角的情況下Weibull分布更為合理，雜波嚴重的情況下能更好地擬合海雜波尾部拉長的情況。
　(4)K分布[7]：

　對高分辨雷達在低視角工作時獲得的雜波回波包絡模型的研究表明，用K分布不僅可以在很寬的范圍內(nèi)很好地與觀測雜波數(shù)據(jù)的幅度分布匹配，而且還可以正確地模擬雜波回波脈沖間的相關特性。
2 用ZMNL產(chǎn)生相應的海雜波序列
　ZMNL法和SIRP法從兩種不同的途徑實現(xiàn)同時滿足一定幅度分布和一定相關條件的隨機數(shù)的產(chǎn)生，它們各有優(yōu)缺點[8]。ZMNL法優(yōu)點是計算量小，易形成快速算法。但是需要進行非線性變換，而且該方法推導非線性變換前后相關之間的關系比較困難。SIRP法的優(yōu)點是由于實現(xiàn)PDF相關特性可以獨立控制、容易推廣，實現(xiàn)相干建模也比較容易。SIRP甚至能由低階的PDF導出高階PDF，這一點對于精度建模尤其重要。但其缺點也很明顯，受所求序列的階數(shù)及自相關函數(shù)的限制，計算量大、不易形成快速算法。
　對于產(chǎn)生具有一定概率分布的隨機序列的方法，采用零記憶非線性變換法(ZMNL)，主要原因是此方法相比SIRP法其優(yōu)點是計算量小、易形成快速算法。對于模擬器來說，其實時性要求比較高，要實時產(chǎn)生海雜波客觀上需要快速計算的方法。ZMNL主要方法是從獨立的高斯過程出發(fā)，得到相關高斯過程后經(jīng)過非線性變化再得到所需的非高斯過程。其步驟如下[6]：
　(1)產(chǎn)生高斯白噪聲序列ni；
　(2)將高斯白噪聲序列ni通過一個線性濾波器H(Z)，得到高斯色噪聲序列xi，即使xi各個時間點上的隨機變量具有某種相關性；
　(3)對相關高斯色噪聲序列xi進行線性變換，得到具有某種概率分布的相關序列zi。以韋布爾分布為例，韋布爾分布隨機變量x可以用兩個正態(tài)分布的隨機變量w1和w2表示，即：
　

3 海雜波的調制及模擬流程
　對于模擬的海雜波，要能逼真地反應在模擬器的光柵顯示器上，必須進行距離衰減和近程增益控制的調制。
　(1)海雜波的距離衰減
　任何雷達都有一定的作用距離，雷達方程則是描述距離衰減的最簡單有效的方式之一[9]。假設為理想無耗、自由空間傳播時單基雷達方程：

　式中，Pr為雷達接收的回波功率，Pt為雷達發(fā)射功率，Gt、Gr分別為發(fā)射天線和接收天線的增益，σ為目標截面積，λ為波長，R為雷達到目標的距離。雷達接收的回波功率與距離R的四次方成反比，即與R-4成正比，隨著R的增大，回波功率衰減得很快。因此要逼真地模擬海雜波，必須對模擬出的海雜波進行距離上的衰減，由上式可知，距離衰減模型可以選擇如上的指數(shù)模型，即在模擬的雜波序列上按距離乘以一個指數(shù)衰減的因子。
　(2)海雜波的近程增益控制
　近程增益控制(STC)基本是每部雷達里都采用的處理措施，也稱為“時間增益控制”或是“靈敏度時間控制”。它主要用來防止近程雜波干擾使中頻放大器發(fā)生過載，對近區(qū)海域調低增益，對遠區(qū)海域則調高增益[10]。
　近程增益控制的基本原理是每次發(fā)射脈沖后，產(chǎn)生一個負極性隨時間漸趨于零的控制電壓，供給被控的中放級，使接收機的增益按此規(guī)定電壓的形狀發(fā)生變化，如圖2所示。它實際上是一個接收機靈敏度隨時間變化的調整電路。由于海浪反射的功率與R呈指數(shù)的衰減形式，因此接收機的靈敏度同樣按這個形式變化，如圖3所示。

　由上述可知，經(jīng)過靈敏度時間控制電路后，調節(jié)了不同距離的海雜波在P顯上的亮度，因此STC的模擬也可以采用合適的指數(shù)模型，即在模擬得到的雜波序列上按距離乘以一個指數(shù)型的STC控制因子。
　(3)海雜波的模擬流程
　對海雜波的模擬，首先要產(chǎn)生一個相關的雜波序列。根據(jù)ZMNL原理，以韋布爾分布序列為例，當選擇p=2.5，q=2時可得到韋布爾雜波序列仿真結果如圖4所示。